Биполярный транзистор

Подробности

Категория: Начинающим

Биполярный транзистор - представляет собой полупроводниковое устройство с тремя электродами, состоит он из двух p-n переходов, перенос электрических зарядов в них осуществляется двумя видами носителя - это электроны и дырки. Так как устройство имеет 2 p-n перехода то оно получило название "биполярный".

Он нашел широкое применение в различных радиоэлектронных устройствах предназначенных для генерации, усиления или переключения (к примеру в логических схемах).

Транзистор имеет 3 вывода которые называются следующим образом:

• база;
• коллектор;
• эмитер.

Эти три электрода подключаются к последовательным слоям полупроводника с разным типом примесной проводимостью. В зависимости от того как происходит это чередование различают транзисторы npn и pnp типа. Сокращение n - означает negative электронный тип проводимости, а p означает positive дырочный.

По принципу действия биполярный транзистор отличается от полевого тем что перенос заряда осуществляется носителями сразу двух типов, а именно электронами и дырками. Отсюда и произодит название "биполярный" от слова "би" - "два".

;

Электрод,который подключается к слою, расположеного в центре называется "базой", а электроды которые подключаются к внешним слоям называеют "эмиттером" и "коллектором". По типу проводимости эти эмиттерный и коллекторный слои ни чем не отличаются. Но в процессе производства транзисторов с целью улучшения электрических параметров они различимы по степени легирования примесями.

Эммитер легируется сильно, а коллекторный слабо что способствует росту допустимого напряжения коллектора. Значение пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода нектретично, так как в схемах обычно транзисторы включают с прямосмещенным эмиттерным p-n переходом.

Так как эмитер легируется сильнее то происхолит более сильную инжекцию неосновных носителей в слой базы. Что способствует в росту коэффициента передачи тока при включении транзистора в схеме с общей базой.

Площадь коллекорного перехода делается значительно больше эммитерного, в следствии чего достигается лучший приток неосновных носителей из слоя базы и улучшается коэффициенты передачи.

Толщину базового слоя стараются делать как можно меньше с целью повышения частотных параметров своего рода быстродейтсвия биполярного транзистора. Но есть другая сторона мелали - при снижении толщины слоя базы уменьшается максимальное (предельное) значение напряжения коллекторного перехода. Поэтому значение толщины базы выбирается наиболее оптимальным.

Принцип действия и устройство биполярного транзистора

Изначально в транзисторах в основном использовался металлический германий, а сейчас их изготавливают из монокристалического кремния и арсенида галлия, приборы сделаные на основе арсенида галия обладают высоким быстродействием и применяются в схемах СВЧ-усилителей, в быстродействующих логических схемах. Их быстродействие объясняется высокой подвижностью носителей в арсениде галлия.

Биполярный транзистор имеет 3 полупроводниковых слоя, которые легируются различным образом: базы (Б), эмиттера (Э), коллектора (К). В зависимости от последовательности слоев проводимости транзисторы бывают с проводимостью pnp и с npn.

Базовый слой расположен между двумя другими слоями и слабо легирован в результате чего имеет большое сопротивление. Площадь контакта база-эмиттер меньше чем площадь коллектор-база. Это делается по следующим причинам:

• увеличение площади перехода коллектор-база способствует тому что неосновные носители из базы с большей вероятность захватываются коллектором, в рабочем состоянии коллекторный переход включается с обратным смещением;
• также большая площадь способствует большему отводу тепла в процессе работы;

Эммитерный переход обычно включается в прямом направлении (открыт) а коллекторный в обратном (закрыт).

Давайте расмотрим работу транзистора типа n-p-n, транзистор типа p-n-p работает точно также только в нем основные носител изаряда не электроны а дырки. В транзисторе npn типа электроны проходят через переход эмитер-база или други словами инжектируются. Доля этих "вновь прибывших" электронов рекомбинирует с дырками - основными носителями заряда базы. Но в следствии того что база у нас тонкая и слаболегированая т.е. мало дырок то основнная масса электроннов переходит (диффундирует) в облать коллектора этот переход обусловлен тем что электроны долго рекомбинируют с дырками в базе, также электрическое поле коллектора велико, поэтому происходит захват электронов в коллектор. Получается что ток коллектора практически равен току эмитера минус небольшие потери на рекомбинацию в базе. Iк=Iб-Iэ.

База как раз и выполняет роль вентиля, который перекрывает поток электронов через транзистор. Для того чтобы начать управление нужно на вывод базы транзистора подать ток. Его называют тока базы. А напряжение, приложенное к выводам эмиттера и базы, называют «напряжением смещения». Изменяя этот ток (базы) мы тем самым изменяем основной ток (коллекторный) через транзистор.

Нагрев транзисторов

Протека через транзистор электронам оказывают большое сопротивление узлы кристаллической решетки полупроводников. Что приводит к его нагреву. В маломощных биполярных транзисторах этот нагрев не значителен, и ни как не сказывается на его работе. А вот в мощных транзисторах, через которые протекают большие токи, этот нагрев может привести к его поломке. Для того чтобы это предотвратить применяют радиаторы.

Радиаторы необходимы для отвода тепла от транзистора. Иногда с целью улучшения теплоотдачи применяют термопасту. Некоторые радиаторы имеют на поверхности ребра. Эти ребра увеличивают общую поверхность. На некоторых радиаторах установлены вентиляторы, который обеспечивает непрерывный поток воздуха, и как следствие отвод теплоты увеличивается.

Схемы подключения транзисторов

Транзистор можно подключить 3-мя различными схемами:

• эмиттерная схема;
• базовая схема;
• коллекторная схема.

Работа транзистора в этих схемах различна.

Эмиттерная схема включения

Наиболее часто используемая схема включения это эмиттерная схема. Включение транзистора по данной схеме обеспечивает усиление по напряжению и по току. Входное сопротивление данной схемы невелико (порядка сотен Ом) и высокое выходное сопротивление (десятки кОм).

Коллекторная схема включения

Данный схема имеет приличное сопротивление на входе и небольшое сопротивление на выходе. Входное сопротивление данной схемы зависит от нагрузки, которая у нас включена на выходе и больше данного сопротивления на усилительный коэффициент. Ее целесообразно применить источником входного сигнала с высоким выходное сопротивление, к примеру, конденсаторный микрофон или пьезоэлектрический звукосниматель.

Базовая схема включения

Данная схема используется для усиления только напряжения. Усилительный коэффициент по току, а точнее отношение выходного тока к входному всегда меньше единицы. Применяется для усиления высоких частот и имеет минимальные уровни шумов выходных сигналов, к примеру, в усилителях антенн, где сопротивление составляет порядка сотен Ом.

Работа биполярного транзистора в различных режимах

Транзистор в электрических схемах подключаеться по разному и имеет 4 основные режима работы. Их основное отличие в направлении протекающего тока через переход или вовсе отсутствии электрического тока. Под переходом здесь понимаеться область между двумя p и n полупроводниками.

Активный режим

На перехож Б - Э; (база-эмиттер); подключено прямое напряжение, а на переход Э-К (эмиттер-коллектор) подключено обратное напряжение.Усиление сигнала в этом режиме максимальное. Этот режим является наиболее часто используемым.

Насыщенный режим

На переход Б - Э и переход Б-К поданы прямые напряжения, переходы полностью открыты.

Отсечное режим

Режим работы закрытого транзистора, когда к переходы подано обратное напряжение.; Применяется в схемах где нужно два состояния транзистора: "открыт" или "закрыт". Такие схемы называют ключевыми.

Режим инверсии

На переход Э-К (коллекторный переход) подяно прямое напрядение, а на Б - Э обратное. Довольно редкий режим работы биполярного транзистора.

Видео по работе биполярного транзистора

• < Назад
• Вперёд >